Очередной шаг на пути к созданию управляемых квантовых систем
Учёные Бостонского университета, Калифорнийского университета и Северо-Западного университета создали электронно-фотонно-квантовую систему на кристалле, сообщил журнал Nature Electronics.
Система объединяет квантовые источники света и стабилизирующую электронику, используя стандартный 45-нанометровый техпроцесс производства полупроводников, что позволяет получать надёжные потоки коррелированных пар фотонов — ключевого ресурса для развивающихся квантовых технологий. Это достижение открывает путь к массовому производству чипов типа «фабрики квантового света» и крупномасштабным квантовым системам, построенным из множества таких чипов, работающих вместе.
«Квантовые вычисления, связь и сенсорика находятся на многолетнем пути от концепции к реальности, — говорит Милош Попович, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Бостонского университета и ведущий автор исследования. – Это небольшой, но важный шаг на этом пути, поскольку он показывает, что мы можем создавать воспроизводимые, управляемые квантовые системы на промышленных предприятиях по производству полупроводников».
Подобно тому, как электронные чипы питаются от электрического тока, а оптические линии связи – от лазерного излучения, будущие квантовые технологии потребуют для выполнения своих функций постоянного потока квантовых световых ресурсов. Чтобы обеспечить это, исследователи создали ряд «квантовых световых фабрик» на кремниевом чипе, каждая из которых размером менее миллиметра на миллиметр.
Для создания квантовых состояний света на кристалле требуются точно спроектированные фотонные устройства, в частности, микрокольцевые резонаторы (те самые устройства, которые обозначены специалистами как неотъемлемая часть будущего масштабирования Nvidia своего вычислительного оборудования для ИИ с помощью оптических соединений).
Для генерации потоков квантового света в виде коррелированных пар фотонов резонаторы должны быть синхронизированы с входящим лазерным излучением, которое питает каждую квантовую фабрику света на чипе (и используется в качестве топлива для процесса генерации). Однако эти устройства чрезвычайно чувствительны к колебаниям температуры и технологии изготовления, которые могут привести к рассинхронизации и нарушению стабильной генерации квантового света.
Для решения этой задачи команда создала интегрированную систему, которая активно стабилизирует квантовые источники света на кристалле, а именно кремниевые микрокольцевые резонаторы, генерирующие потоки коррелированных фотонов. Каждый кристалл содержит двенадцать таких источников, работающих параллельно, и каждый резонатор должен оставаться синхронизированным с входящим лазерным излучением даже при наличии температурного дрейфа и помех от соседних устройств, включая одиннадцать других источников фотонных пар на кристалле.
Чрезвычайная чувствительность микрокольцевых резонаторов, составляющих основу квантовых источников света, хорошо известна и является одновременно и благом, и проклятием. Именно благодаря ей они могут эффективно генерировать квантовые потоки света, занимая минимальную площадь кристалла. Однако даже небольшие изменения температуры могут нарушить процесс генерации фотонных пар.
Команда решила эту проблему, интегрировав фотодиоды в резонаторы таким образом, чтобы они контролировали выравнивание с входящим лазером, сохраняя при этом генерацию квантового света. Встроенные нагреватели и управляющая логика непрерывно корректируют резонанс в соответствии с дрейфом.
Поскольку чип использует встроенную обратную связь для стабилизации каждого источника, он ведёт себя предсказуемо, несмотря на изменения температуры и производственные отклонения, что является важнейшим требованием для масштабирования квантовых систем. Он был изготовлен на коммерческой 45-нанометровой платформе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП).
«Наша цель состояла в том, чтобы показать, что сложные квантовые фотонные системы могут быть построены и стабилизированы полностью в рамках КМОП-микросхемы, — говорит Дэниел Крамник, руководивший проектированием, корпусированием и интеграцией микросхемы».
По мере того, как квантовые фотонные системы становятся все более масштабными и сложными, такие чипы могут стать строительными блоками для различных технологий: от защищённых сетей связи до современных датчиков и, в конечном итоге, инфраструктуры квантовых вычислений.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал
По материалам открытых источников